Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van DOE hebben een volledig vloeibaar apparaat 3D-geprint dat, met een druk op de knop, kan op verzoek herhaaldelijk opnieuw worden geconfigureerd voor een breed scala aan toepassingen, van het maken van batterijmaterialen tot het screenen van kandidaat-geneesmiddelen.

"Wat we hebben gedemonstreerd is opmerkelijk. Ons 3D-geprinte apparaat kan worden geprogrammeerd om meerstaps, complexe chemische reacties op aanvraag, " zei Brett Helms, een stafwetenschapper in de Materials Sciences Division en Molecular Foundry van Berkeley Lab, die de studie leidde. "Wat nog verbazingwekkender is, is dat dit veelzijdige platform opnieuw kan worden geconfigureerd om moleculen efficiënt en nauwkeurig te combineren om zeer specifieke producten te vormen. zoals organische batterijmaterialen."

De bevindingen van het onderzoek, die werden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , is de laatste in een reeks experimenten in Berkeley Lab die volledig vloeibare materialen fabriceren met een 3D-printer.

Vorig jaar, een studie co-auteur van Helms en Thomas Russell, een gastonderzoeker van de Universiteit van Massachusetts in Amherst die het Adaptive Interfacial Assemblies Toward Structured Liquids-programma leidt in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, pionierde met een nieuwe techniek voor het printen van verschillende vloeistofstructuren - van druppeltjes tot wervelende vloeistofdraden - in een andere vloeistof.

"Na die succesvolle demonstratie, een aantal van ons kwamen samen om te brainstormen over hoe we vloeibare afdrukken konden gebruiken om een ​​werkend apparaat te maken, " zei Helms. "Toen kwam het bij ons op:als we vloeistoffen in gedefinieerde kanalen kunnen printen en inhoud er doorheen kunnen laten stromen zonder ze te vernietigen, dan zouden we bruikbare fluïdische apparaten kunnen maken voor een breed scala aan toepassingen, van nieuwe soorten geminiaturiseerde chemische laboratoria tot zelfs batterijen en elektronische apparaten."

Om het 3D-afdrukbare fluïdische apparaat te maken, hoofdauteur Wenqian Feng, een postdoctoraal onderzoeker in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, ontwierp een speciaal gevormd glassubstraat. Wanneer twee vloeistoffen - een met kleideeltjes op nanoschaal, een andere die polymeerdeeltjes bevat, wordt op het substraat gedrukt, ze komen samen op het grensvlak van de twee vloeistoffen en vormen binnen milliseconden een heel dun kanaal of buisje met een diameter van ongeveer 1 millimeter.

Zodra de kanalen zijn gevormd, katalysatoren kunnen in verschillende kanalen van het apparaat worden geplaatst. De gebruiker kan dan 3D-bruggen tussen kanalen printen, ze verbinden zodat een chemische stof die er doorheen stroomt katalysatoren in een specifieke volgorde tegenkomt, een cascade van chemische reacties op gang brengen om specifieke chemische verbindingen te maken. En wanneer bestuurd door een computer, dit complexe proces kan worden geautomatiseerd "om taken uit te voeren die verband houden met het plaatsen van katalysatoren, vloeibare bruggen bouwen in het apparaat, en voer reactiesequenties uit die nodig zijn om moleculen te maken, ' zei Russel.

Het multitasking-apparaat kan ook worden geprogrammeerd om te functioneren als een kunstmatig bloedsomloopsysteem dat moleculen scheidt die door het kanaal stromen en automatisch ongewenste bijproducten verwijdert terwijl het een reeks bruggen naar specifieke katalysatoren blijft afdrukken, en voer de stappen van chemische synthese uit.

"De vorm en functies van deze apparaten worden alleen beperkt door de verbeeldingskracht van de onderzoeker, ", legt Helms uit. "Autonome synthese is een opkomend interessegebied in de chemie- en materiaalgemeenschappen, en onze techniek voor 3D-printapparaten voor chemie van vloeibare stromen zou een belangrijke rol kunnen spelen bij het vestigen van het veld."

Russell toegevoegd:"De combinatie van materiaalwetenschap en scheikunde-expertise bij Berkeley Lab, samen met gebruikersfaciliteiten van wereldklasse die beschikbaar zijn voor onderzoekers van over de hele wereld, en het jonge talent dat wordt aangetrokken door het Lab is uniek. We hadden dit programma nergens anders kunnen ontwikkelen."

De onderzoekers zijn vervolgens van plan om de wanden van het apparaat te elektrificeren met behulp van geleidende nanodeeltjes om de soorten reacties die kunnen worden onderzocht uit te breiden. "Met onze techniek we denken dat het ook mogelijk moet zijn om volledig vloeibare circuits te creëren, brandstofcellen, en zelfs batterijen, "zei Helms. "Het was echt spannend voor ons team om fluïdica en stromingschemie te combineren op een manier die zowel gebruiksvriendelijk als door de gebruiker programmeerbaar is."